滇池沉积层地质条件下盾构下穿昆明站施工技术

摘要：实践中盾构下穿火车站站场、股道施工风险高，控制站场、股道变形标准严。昆明地铁1号线环城南路站～昆明火车站站区间盾构下穿昆明站施工，施工中通过对盾构下穿火车站站场、铁路股道的风险调查分析，采用数值模拟分析研究不同条件下盾构下穿站场、股道变形和受力的影响，造成地面沉降的机理，并进行对比分析，结合风险分析与数值分析结果，编制切实合理、可行的专项施工方案，针对性加强盾构下穿站场、股道等的风险控制措施，加强盾构施工中主控环节过程控制，有效控制了沉降，保证了施工安全，本文是对滇池沉积层地质条件下盾构下穿昆明站施工技术进行了初步探讨和总结。

关键词：滇池沉积层;昆明站;股道;站台;盾构施工;沉降控制

1.工程概况

昆明市主城区具有典型的滇池沉积层地质特点，地层结构特征多元化、软硬不均、渗透性多样、含水丰富且规律预见性差。昆明地铁1号线环城南路站～昆明火车站站区间沿北京路走向，下穿昆明站，昆明站是云南省、昆明市重要交通门户的特等站。区间隧道与昆明站成57°夹角，将盾构下穿昆明站 12条股道、6个站台，出站大厅以及昆明站众多建（构）筑物，总宽度约为183m，隧道结构外轮廓覆土厚度14.587～9.17m。盾构下穿昆明站地段地层主要为圆砾层、粉土粉砂层及粘土层，表层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第Ⅱ陆相层以下粉砂及粉土中的地下水为微承压水，地下水丰富。下图1为昆明地铁盾构下穿昆明站示意图。

2.工程难点、风险点分析

（1）盾构隧道施工对既有火车站的影响主要是引起的地表沉降，由此可能造成铁路路基道床的不均匀沉降，两股钢轨之间的差异沉降、混凝土轨枕的失效或严重损伤，钢轨接头产生轨缝、错牙、台阶和折角以及钢轨的重伤或折断等现象。当地面不均匀沉达到一定变形值就会影响其正常使用，从而影响火车站线路的正常运营。

（2）列车在运行中，对路基土体产生的动应力沿深度逐渐衰减，衰减程度与土层的力学性质以及列车动载大小等有关，一般认为动应力的影响深度约为4～7m，但当基床下部有构筑物（出站通道、运输通道）时，动应力的传播将发生较大变化。盾构施工引起线路下沉，导致线路不平顺加大轮轨的冲击力，使路基内动应力加大，土体动荷载增加，影响地铁隧道的安全。

（3）昆明站地处云南省省会城市昆明，具有规模大，作用突出，是承担城市对外运输窗口。盾构施工下穿昆明站具有下穿长度长，下穿股道、站台多，下穿建（构）筑物多等特点。在下穿股道、站台时往往要近距离侧穿无柱雨棚桩基或下穿地下通道，施工同时需兼顾地面金属网、管线、雨棚顶等保护，这些都增加了施工难度，加大施工风险。

（4）盾构下穿昆明站线路长、范围广（包括12条股道、6个站台、出站通道、出站大厅，侧穿无柱雨棚、铁路综合大厦、站前高架等建（构）筑物，总宽度约为284米），滇池沉积层地质水文条件不断变化，加大施工难度。

3.盾构机下穿火车站前筹备工作

（1）在盾构下穿铁路前积极和铁路部门进行沟通，编制切实可行的施工、监测等方案，通过监理、业主、铁路部门的审查，并获批准后实施。同时选用征得铁路部门认可的专业监测单位对施工整个过程进行全程监控。与铁路工务段等相关部门签订施工安全配合协议书。并指派培训合格、责任心强、业务熟练的人员任现场安全巡视员，以保证铁路线路等相关设备的安全。

（2）盾构下穿火车站加固措施：

常规对火车站相关建（构）筑物加固保护措施分以下几种：

a对铁路股道加固措施。加固措施方法有：地层加固措施、扣轨技术。

b对既有结构物加固措施。加固措施方法有：结构物加固、下部基础加固及基础托换。

c新建隧道与既有结构物之间采取的措施。加固措施方法有：①盾构隧道周围地层加固;②既有结构物基础地层加固;③隔断盾构掘进地层应力与变形。

本工程因受场地、地面条件影响，未采用任何加固措施，

（3）、设置试验段

根据盾构下穿火车站铁路段地层地质情况，选择合适地段作为盾构下穿火车站铁路模拟掘进地段，严格执行方案设定参数，试验段设置两处24小时监测点，进行不间断监测，对掘进参数及地面沉降情况进行统计分析，预测盾构过火车站铁路轨道区可能出现的沉降大小，以检验所制定的盾构下穿火车站整体参数，为安全通过火车站提供保障。

（4）、对既有线路进行几何尺寸整正作业

盾构下穿前要求工务段对既有线路进行几何尺寸整正作业，达到理想几何尺寸。整道范围为隧道中线两侧25m（在火车站内标注左右线隧道中心线）。整道标准为水平偏差2mm，整道过程中取消原有垫片（利于盾构穿越时沉降超标，采取加垫片起道措施）。线路整正后测量采集原始数据指导施工。

4盾构下穿火车站施工控制措施

4.1盾构下穿火车站施工总体原则

做好盾构掘进的施工管理，加强盾构施工参数优化是防止地面沉降的最基本的措施，也是最有效的措施。具体来说，为控制地面沉降，盾构下穿铁路段时掘进参数选择遵循原则：

1）、保土压、控出土，为我部下穿昆明站控制的核心参数，合理选择土压力和控制出土量，以减小第一和第二阶段沉降。

2）、低扰动，控制总推力和刀盘扭矩，减小对周围地层扰动。

3）、合理选择推进速度，减小穿越段沉降。

4）、勤注浆，及时填补盾尾间隙，减小盾构通过后盾尾土体应力释放造成的沉降。

4.2严格控制土压力

在施工中严格管理，使实际土压略大于计算值。根据地面沉降的结果来实时调整土压力，计算过程中的各种参数、安全系数，使得将土压在盾构掘进过程中控制在合理范围内。鉴于过昆明站站场前后地层分布较为连续，在盾构穿越火车站站场前50m范围内设置两组沉降观测点，通过第一组数据得到盾构通过后的地层沉降变化情况，初步确定盾构掘进各项参数：通过第二组数据来验证盾构掘进各项参数，以便进一步调整和修正参数。盾构掘进过程中土压实际应控制在什么范围内，需要根据地面测量观测结果及现场实际情况及时调整。

4.3 推进速度及总推力

根据盾构机设计参数、施工地质状况、参考以往盾构施工经验，盾构下穿铁路段掘进速度控制在20 mm /min～30 mm /min左右，总推力控制在10000 kN～15000 kN，扭矩1800 kN/m～2 200 kN/m，可根据具体掘进情况适当调整。如果出现总推力大而影响推进速度时，采取相应减小推力措施。推进过程中保持稳定，实际施工每日推进8环～10环，且保持连续均衡推进，左右先盾构下穿火车站轨道、站台在半个月内顺利通过。

4.4保证开挖面稳定

由于在隧道施工过程中盾构穿越的土层复杂，容易出现粘性土附着在刀盘上致使刀盘扭矩增大，或土体进入土仓后被压密固化，形成开挖、排土很难达到平衡的状况，针对这种情况，向刀盘前方土体注入泡沫，在增大土体流动性的同时，降低其附着力，防止开挖土附着在刀头和土仓内壁;同时利用刀盘辐条上的搅拌翼将泡沫和切削下来的土体加以搅拌，使之充分混合，变得较为蓬松，增大可排性，从而使开挖土量和排土量保持平衡，保证开挖面的稳定，减少地层扰动

4.5严格控制注浆施工

盾构施工引起的建筑空隙、地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是导致地表沉降的主要因素。注浆作为盾构施工的一个关键工序，必须严格按“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则，紧密结合施工监控量测的反馈信息，不断优化注浆压力的设定，保证注浆量一定要超过理论计算值，实际平均注浆量的合理范围内波动。

盾构隧道主要通过均布在盾壳体的4根同步注浆管来控制地表沉降。

同步注浆浆液采用活性浆液，水泥砂浆基准配合比如下表所示，该浆液凝胶时间短，以便在填充地层的同时能尽早获得浆液固结体强度，保证开挖面安全并防止漏浆;并确保不液化。

表1水泥砂浆材料用量表（kg/m³）

同步注浆浆液性能指标

注浆压力为0.3～0.5MPa左右，并根据盾构推进速度控制注浆量，实际注浆量采用理论值的150%～200%。

隧道在推进过程中，注浆量应根据不同的地质情况和地表隆陷监测情况进行调整和动态管理。一般情况下以满足控制地表隆陷为原则，以控制地表稍微向上隆起2～3mm为宜。

同步注浆和盾构推进保持同步，即在盾构机推进的同时进行注浆，推进停止后，注浆也相应停止，注浆压入的时间应控制在盾尾脱离管片时为宜。

根据地面沉降的变化，进行二次压浆，以弥补同步注浆的不足，二次压浆在管片出盾尾4环后进行，采用速凝浆液，注浆压力为不大于0.5MPa。施工中对压浆位置、压入量、压力值做详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整。

4.6盾构施工轴线控制

在盾构机进入穿越区之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，减少盾构纠偏。盾构施工过程中，盾构机操作人员须严格执行指令，严格执行“勤纠偏、小纠偏”的原则，严禁大幅度纠偏，并控制每次纠偏的量，盾构机一次纠偏量不宜过大，以减少对地层的扰动，加强管片拼装质量控制。

4.7实时监测、信息化管理

盾构下穿期间要加强监测频率，测得监测数据后，要及时进行整理，绘制位移随时间或空间的变化曲线图，实施时，多采用位移——空间曲线，即监测结果随工作而与洞土跨度比值的关系散点图。在取得足够的数据后，还应根据散点图的数据分部状况，选择合适的函数，对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最终位移值。全部监测数据均由计算机管理。

监测负责人对每次监测数据及时进行整理分析，并将分析结果以书面形式向施工组织领导小组汇报，做出评判，并将评判结果向盾构下穿昆明站时施工协调六方小组通报。若遇监测值达到预警值或危险值时，组织施工协调六方小组召开专题会，分析原因，制定对策措施，以保证施工安全。

在施工过程中实时监测站场、建（构）筑物、铁路道床、轨枕、铁轨等铁路设施的变形的监测，做到依据地面监测数据指导施工，及时调整盾构施工各项参数，确保在过昆明站时盾构机连续、平稳的通过，使地面沉降保持在最小状态，满足管理部门的要求。此外，尚应制定详细有效地应急抢险预案，以应对可能发生的突发情况进行准备，保证能在沉降达到警戒值后保持畅通有序的信息沟通渠道及命令发布途径，能迅速将现场情况反馈给相关部门，以便在第一时间采取相关应急措施进行工程抢险，确保铁路运输安全，阻止险情的进一步扩大。

4.8插管注浆施工措施

为确保铁路股道及地面建（构）筑物安全稳定，盾构机通过后，及时采用洞内注浆的方式对土体进行加固，提高土体承载力和整体性，同时有利于控制隧道长期运营引起的洞周土体变形和沉降。注浆加固范围：下穿列车股道范围右IDK13+857.552～右IDK13+900.000与下穿地下出站大厅段右IDK13+766.600～右IDK13+857.552，采用增设注浆孔管片，注浆利用每环管片预留的16个注浆孔进行插管注浆，采用速凝双液浆，注浆管采用￠27钢花管，t=3.5mm，进行注浆加固稳定土体，防止二次沉降。见图2盾构下穿昆明站插管注浆范围图。

5结束语

针对滇池沉积层地质条件下盾构下穿昆明站这一施工难点，成立专项课题研究小组。同时，在盾构穿越昆明站前积极和铁路部门进行沟通，编制切实可行的施工、监测等方案，与铁路各相关部门签订施工安全配合协议书。其次，制定科学合理的盾构掘进参数，把控制地面沉降主要手段的同步注浆和二次注浆作为盾构施工管理的重点，确保注浆及时、管片壁后注浆饱满，并根据地面沉降情况适时采取二次注浆及径向补压浆。最为关键的是，盾构穿越正在使用的铁路线时，为防止盾构施工引起轨道较大不均匀沉降，施工期间一直对地表沉降进行严密监测，通过合理的监测设计、及时监测，随时掌握轨道及周边地表沉降变化规律、发展趋势，及时指导调整盾构掘进参数，从而使盾构安全顺利地穿越昆明站站场。该区间左右线两台盾构机分别于2012年11月1日和12月17日，成功下穿昆明站12条股道、6个站台，由于施工期间良好的技术控制，最终将铁路路基、路轨隆沉量控制在了较小的范围，最大监测点累计沉降仅为-4.5毫米，未超出了10毫米的沉降控制标准，确保了昆明站的安全运营。本文结合滇池沉积层地质条件下盾构下穿昆明站这一具体案例，对风险分析，施工方法、措施加以研究、总结，为昆明滇池沉积层地质条件下后续地铁建设提供借鉴。

参考文献：

[1]《昆明地铁小角度近距离立体交叉盾构技术》杨公正.西南交通大学出版社.2013.11.ISBN编号：978-7-5643-2663-0